石 岩 王 佳 陈海焱 冯启明 黄 阳

(1.固体废物处理与资源化教育部重点实验室，四川绵阳621010;2.西南科技大学生命科学与工程学院，四川绵阳621010)

钢渣是炼钢过程中排出的废渣，约占钢产量的15%。作为世界第一产钢大国，我国2013年的钢产量达7.79亿t。据此推算，我国目前年产钢渣达1亿t以上，而实际利用率却只有20%左右，远低于欧美国家65%以上的水平，因而我国钢渣可谓堆积如山，这不仅污染环境、而且占用宝贵的土地资源［1-3］。

虽是炼钢废渣，钢渣仍有着广阔的应用领域，国内外专家学者对钢渣的资源化利用进行了大量的研究［4-9］。用于建材行业是钢渣的主要用途之一，但也存在一些问题，如其中的硅酸盐矿物结晶完整不利于水化、f－CaO会导致钢渣水泥的安定性不良等［10-12］。研究表明，细磨是激发钢渣活性和钢渣水泥安定性的有效手段［13］，因此，钢渣的利用正朝粉末化的方向发展。本试验研究了钢渣细粉的粒度和掺量对水泥胶凝性能的影响。

1 试验原料及方法

1.1 试验原料及加工

1.1.1 试验原料

试验所用转炉钢渣来自攀钢集团成都钢铁有限责任公司，水泥熟料(用于制作P.Ⅰ42.5型水泥)由四川峨胜水泥集团股份有限公司提供。钢渣和水泥的主要化学成分见表1，钢渣XRD分析结果见图1。

表1 钢渣及水泥的主要化学成分分析结果Table 1 Main chemical composition analysis of steel slag and cement

图1 钢渣的XRD图谱Fig.1 XRD pattern of steel slag

由表1可见，钢渣和水泥熟料的主要化学成分相似，均以 CaO、SiO2、Al2O3和 Fe2O3为主，水泥和钢渣中这4种成分的总含量分别为96.58%和81.04%。钢渣的碱度系数为1.97(即CaO的含量与SiO2和P2O5含量和之比)，属中等碱度钢渣。

由图1可见，钢渣中的主要矿物有黑钙铁矿、氢氧钙石、硅酸三钙和锰铝矿等。

1.1.2 原料加工

试验用1#钢渣细粉由钢渣原料经过颚式破碎机和对辊式破碎机破碎、球磨机磨矿制得;2#、3#钢渣细粉是将1#钢渣细粉进行超细粉碎，由气流粉碎机制得，制作2#、3#钢渣细粉时气流粉碎机的分级机转速分别为600、1 500 r/min;4#为水泥熟料，经球磨机粉碎制得。各样品粒度特性见表2。

表2 各样品粒度特性分析结果Table 2 Characteristics analysis of particle size of different samples μm

1.2 试验方法

(1)掺钢渣细粉的水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性试验按照《GB/T1346—2001 水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》进行。

(2)掺钢渣细粉的水泥胶砂强度试验按照《GB/T17671—1999 水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》进行，测定3、7和28 d的强度。

(3)钢渣细粉活性指数的测定按照《GB/T20491—2006 用于水泥和混凝土中的钢渣粉》进行，分别测试不同粒度钢渣细粉的活性指数。

2 试验结果及分析

2.1 不同粒度钢渣细粉对水泥标准稠度需水量、凝结时间和安定性的影响

1#、2#、3#样分别与 4#样按质量比 30∶70 制成水泥净浆，测定各净浆的标准稠度用水量、凝结时间和安定性，并与单一4#样的水泥净浆性能指标进行比较，结果见表3。

表3 钢渣细粉粒度对水泥标准稠度需水量、凝结时间及体积安定性的影响Table 3 The effects of steel slag particle size on the water requirement of normal consistency，setting time and soundness of cement

由表3可知，掺入的钢渣细粉粒度越细，水泥的标准稠度需水量增大，这是因为钢渣细粉粒度越细、比表面积越大、需要用来包裹它的水越多［14］;掺入的钢渣细粉粒度越细，初凝和终凝时间越长，但均满足初凝时间＞45 min，终凝时间＜390 min的水泥规范要求;煮沸法检验表明，掺钢渣细粉的水泥体积安定性合格。掺入钢渣细粉的水泥标准稠度需水量、凝结时间与普通硅酸盐水泥的性能指标非常接近。

2.2 不同粒度钢渣对水泥胶砂强度的影响

试验分别对1#、2#、3#样与 4#样按质量比 30∶70制成的水泥胶砂强度与单一4#样的水泥胶砂强度进行了比较，结果见表4。

表4 钢渣细粉粒度对水泥胶砂强度的影响Table 4 Effect of particle size of steel slag on strength of cement mortar

由表4可知，在钢渣细粉掺量一定的情况下，掺入的钢渣细粉粒度越细，水泥胶砂的强度和活性指数越高;对应的2#、3#钢渣细粉7 d的活性指数均大于75%，28 d活性指数均大于80%，满足一级钢渣细粉的技术要求;掺加2#、3#钢渣细粉的水泥28 d抗压强度和抗折强度满足P.S.A 32.5级水泥的抗压强度要求，可广泛用于建材行业。

掺入的钢渣细粉粒度越细，水泥胶砂的强度越高，这是因为经超细粉碎后的钢渣，粒度越细，比表面积越大，活性越高，越容易发生水化反应生成大量的水化产物，从而提高硬化浆体的致密度和强度［15］。

2.3 钢渣掺量对水泥胶砂强度的影响

用2#钢渣细粉替代10%、20%、30%、40%、50%的4#样与不掺加钢渣的4#样进行水泥胶砂强度对比，结果见图2、图3。

图2 钢渣掺入量对水泥抗压强度的影响Fig.2 Effect of mixing amount of steel slag on compressive strength of cement mortar

图3 钢渣掺入量对水泥抗折强度的影响Fig.3 Effect of mixing amount of steel slag on flexural strength of cement mortar

由图2、图3可知，随着钢渣细粉掺入量的增加，水泥砂浆的抗压强度和抗折强度不断下降。当钢渣细粉的掺量超过30%后，水泥砂浆的抗压强度和抗折强度加速下降。由于钢渣细粉的水化活性比水泥熟料低，钢渣细粉掺入量的增加、水泥熟料质量分数的下降，必然导致水泥砂浆胶凝性水化产物生成量减少，硬化浆体的孔隙率上升，致密度下降，因此水泥胶砂试块的强度降低［16］。

3 结论

(1)钢渣细粉粒度越细，水泥的标准稠度需水量越大，初凝和终凝时间越长。

(2)掺入一定量的钢渣，细粉粒度越细，水泥胶砂的强度和活性指数越高;D50=6.21μm和D50=3.17μm的钢渣细粉按30%取代水泥时，钢渣复合水泥的强度和安定性均满足国家P.S.A 32.5级水泥标准要求。

(3)向水泥中掺加粒度一定的钢渣细粉，水泥胶砂的强度随钢渣细粉掺入量的增大而下降，当钢渣细粉的掺量超过30%以后，水泥胶砂的强度加速下降。

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